Поверхнево-активні речовини мають різноманітну хімічну будову. В результаті вони характеризуються цілим набором властивостей і виконують багато різних функцій. Тому ці речовини використовуються майже в усіх галузях промисловості. Одна поверхнево-активна речовина зазвичай має кілька властивостей, які впливають на її кінцеве використання. Правильний вибір сировини є ключовим у виробництві ПАР. Саме ця стадія визначає параметри та фізико-хімічні властивості отриманих поверхнево-активних речовин, а отже, їх подальше використання. Наприклад, засоби для прання та прання використовують поверхнево-активні речовини з відмінними властивостями утворення піни та змочування, тоді як косметика використовує поверхнево-активні речовини, які є хорошими емульгаторами.
Після розчинення або диспергування в рідині поверхнево-активні речовини адсорбуються на межі розділу фаз , змінюючи міжфазний поверхневий натяг. Ці сполуки також мають спільну якість, яка дозволяє їм утворювати міцели . ПАР характеризуються стійкістю до впливу лугів і жорсткої води.
Розчинність ПАР у воді
Завдяки своїй гідрофільно-гідрофобній структурі поверхнево-активні речовини розчиняються у багатьох різних розчинниках.
Розчинність іонних поверхнево-активних речовин залежить від їх здатності дисоціювати та утворювати іони. З іншого боку, розчинність неіонних поверхнево-активних речовин, що належать до груп поліоксиетиленованих або поліоксипропіленованих сполук, зумовлена утворенням мережі водневих зв’язків між молекулами води та киснем ефіру.
Розчинність у полярних сполуках зумовлена наявністю в молекулі гідрофільного фрагмента. Однак чим довшим і менш розгалуженим є вуглеводневий ланцюг, тим меншою стає розчинність у воді.
Розчинність поверхнево-активних речовин у воді можна регулювати шляхом зміни їх структури. Збільшення розчинності можливе шляхом введення поліоксиетиленованого фрагмента в молекулу або шляхом перетину точки Крафта, яка є певною температурою, вище якої відбувається раптове збільшення розчинності внаслідок утворення міцел. Розчинність поверхнево-активної речовини у воді можна зменшити шляхом введення в її структуру оксиду пропілену.
Розчинність поверхнево-активної речовини у воді також безпосередньо пов’язана зі значенням гідрофільно-ліпофільного балансу (HLB).
Поверхневий натяг ПАР
Поверхневий натяг – це сили, що діють на межі розділу фаз . Це постійна величина, характерна для кожної окремої рідини, сильно залежна від температури та середовища, з якими рідина контактує. Поверхневий натяг є результатом дисбалансу сил, що діють на молекули, розташовані на поверхні рідини та в її об’ємі.
Молекули поверхнево-активної речовини адсорбуються на поверхні рідкої фази, розташовуючись своїми полярними головками до об’єму рідини, а гідрофобним хвостом – до повітря. Внаслідок такого розташування молекул поверхневий натяг рідини зменшується . При додаванні більшої кількості поверхнево-активної речовини її молекули невпорядковано розсіюються по всій масі рідини до перевищення критичної концентрації міцел (ККМ) . Потім молекули починають організовуватися в сферичні форми, які називаються міцелами .
Коли концентрація поверхнево-активної речовини в розчині збільшується, її поверхневий натяг падає до певного рівня і залишається постійним, незалежно від подальшого збільшення концентрації. Неіонні поверхнево-активні речовини є найбільш ефективними для зниження поверхневого натягу.
Знання критичної концентрації міцел дуже важливо при використанні поверхнево-активних речовин. Це пояснюється тим, що він визначає порогову концентрацію, яка є найбільш придатною для використання в продукті для даної поверхнево-активної речовини.
Методи, які дозволяють вимірювати поверхневий натяг, включають сталагмометричний метод, метод капілярного підйому та метод максимального тиску бульбашки.
Піноутворювальні властивості ПАР
Піноутворювальні властивості ПАР – це здатність ПАР утворювати піну. Їх вимірюванням є об’єм піни, утвореної з розчину, що містить поверхнево-активні речовини, за певних умов. Ця властивість поверхнево-активних речовин зумовлена їхньою здатністю утворювати міцели та стабілізувати бульбашки повітря.
У чистих рідинах процес спінювання не відбувається. Для отримання піни в рідину з відповідною поверхнево-активною речовиною вводять повітря або інший газ. Потім молекули поверхнево-активної речовини впорядковуються на міжфазній межі рідина-газ. Якщо концентрація поверхнево-активної речовини в розчині висока, молекули поверхнево-активної речовини розташовуються перпендикулярно до межі рідина-газ. Гідрофільні «голови» розташовуються до основної маси рідини, тоді як гідрофобні «хвости» спрямовані до повітря. Коли бульбашки газу вивільняються з рідкої фази, молекули ПАР адсорбуються на поверхні газу, утворюючи піну.
Здатність поверхнево-активних речовин утворювати піну залежить від кількох факторів, таких як концентрація та хімічна структура поверхнево-активної речовини, значення рН розчину, наявність інших інгредієнтів у розчині, а також жорсткість води. Найкращими піноутворюючими властивостями володіють молекули ПАР з алкільним ланцюгом довжиною 12-15 атомів або з поліоксиетиленовим ланцюгом, що містить 10-12 оксиетиленових груп. З іншого боку, молекули поверхнево-активної речовини з алкільним ланцюгом коротшим за 10 або довшим за 16 атомів вуглецю мають найгірші властивості піноутворення.
Піноутворюючу здатність кожного ПАР можна регулювати шляхом зміни його структури. Введення поліоксипропіленового фрагмента в молекулу поверхнево-активної речовини дозволяє зменшити її піноутворення, а додавання етиленоксиду підвищує піноутворюючу здатність поверхнево-активної речовини.
Піноутворювальні властивості поверхнево-активних речовин відіграють важливу роль у багатьох промислових застосуваннях , наприклад, у флотації мінералів, виробництві миючих засобів і в харчовій промисловості. У деяких випадках піноутворення небажано, а то й шкідливо. Це явище є перешкодою в основному в текстильній промисловості, промислових процесах прання та пранні, а також в автоматичних домашніх пральних машинах. Для усунення або обмеження піноутворюючої здатності поверхнево-активної речовини можна використовувати додавання антипіноутворювачів (наприклад, силіконові препарати або певні неіонні поверхнево-активні речовини).
Поверхнево-активні речовини, що належать до піногасників, мають значення гідрофільно-ліпофільного балансу в межах 1,5–3. При перевірці піноутворюючої здатності поверхнево-активних речовин, крім об’єму, оцінюють стійкість і щільність піни.
Змочувальні властивості ПАР
Змочуваність є ще однією характеристикою поверхнево-активних речовин. Завдяки здатності молекул зменшувати поверхневий натяг між рідиною та твердим тілом, а також видаляти повітря з твердих поверхонь, розплавлення крапель рідини на поверхні значно збільшується. Іншими словами, змочуваність – це здатність молекул ПАР та їх розчинів розтікатися по поверхні, на яку вони нанесені. Результатом цього явища є зниження енергетичного бар’єру між розчином і зволоженою поверхнею. Це явище призводить до збільшення площі контакту, що підвищує ефективність і швидкість даного процесу.
Коли чиста рідина порівнюється з рідиною з додаванням поверхнево-активної речовини, чітко видно різницю в площах, зайнятих однією з крапель.
Завдяки змочуючим властивостям поверхнево-активних речовин тканини можна змочувати водою швидше , що прискорює процес прання. Ця якість також використовується в агрохімії (наприклад, змочування поверхні листя розпиленою рідиною), у лакофарбовій промисловості та будівництві.
Величиною, яка описує здатність рідини змочувати тверді тіла, є кут змочування Θ, який є кутом між змоченою поверхнею та краплиною змочування. Коли кут дорівнює нулю, це означає повне змочування даної поверхні краплиною рідини. Кут 0° < Θ < 90° характерний для частково змочуваних рідин, а кути 90° < Θ < 180° означають частково незмочувані рідини. Рідини, повністю позбавлені змочувальної здатності, мають кут змочування Θ 180°.
Емульгування
Емульгування передбачає утворення суспензії двох взаємно нерозчинних і незмішуваних речовин, принаймні одна з яких є рідиною. В результаті цього процесу утворюється неоднорідна дисперсна система, так звана емульсія . Якщо обидва компоненти є рідинами, то емульсія являє собою суспензію крапельок однієї фази в іншій. Одна рідина є суцільною, або зовнішньою фазою, інша – дисперсною, або внутрішньою фазою. Однак, щоб така система була стабільною, необхідно використовувати поверхнево-активну речовину, яка оточує краплі однієї рідини, відокремлюючи їх від іншої фази і запобігаючи їх об’єднанню в більші агрегати. Це відбувається завдяки впорядкуванню молекул поверхнево-активної речовини. Вони розташовуються гідрофільною головкою до полярного розчинника, а гідрофобним хвостом до неполярної фази. Так утворюються емульсії «масло у воді» , де безперервною фазою є полярна вода з дисперсною неполярною масляною фазою, або навпаки – емульсії «вода в маслі», тобто «вода в маслі» .
Термін емульсія не може використовуватися для опису сумішей газів або твердих речовин у рідинах, суспензій сполук срібла в рідинах (так звана фотографічна емульсія) та сумішей, що використовуються в двигунах внутрішнього згоряння (так звана паливно-повітряна емульсія).
Спорідненість емульгатора до масляної фази та водної фази визначається параметром HLB (гідрофільно-ліпофільний баланс). Його значення визначає, чи конкретна поверхнево-активна речовина краще стабілізує емульсії вода-в-маслі або масло-у-воді. Емульгатори з ГЛБ нижче 10 зазвичай стабілізують емульсії типу «вода-в-маслі», а емульгатори з ГЛБ більше 10 стабілізують емульсії «масло-у-воді».
Під час процесу емульгування важливими питаннями є стабільність отриманих емульсій і легкість їх формування. Емульгатори можуть мати ряд властивостей і застосувань, які є корисними для їх призначеної функції. Вимоги до емульгаторів включають: зниження поверхневого натягу на міжфазній межі, запобігання явищу інверсії, стабілізацію емульсії та відсутність токсичності чи запаху. Зазвичай окремі емульгатори володіють лише деякими бажаними властивостями, тому часто використовують суміш відповідних емульгаторів.
Здатність утворювати емульсії дозволяє використовувати ПАР у багатьох галузях промисловості. Завдяки цьому явищу ми можемо виробляти косметику, фарби, клеї, лаки та пластмаси. Крім того, поверхнево-активні речовини використовуються як емульгатори в металургійній, харчовій, сировинної, паливній, текстильній, хімічній, будівельній та багатьох інших галузях промисловості.
Миючий засіб
Мийні засоби – це процес видалення домішок . Це відбувається за участю поверхнево-активних речовин, які оточують частинки бруду, розташовуючись до них неполярними хвостами, тобто своїми вуглеводневими ланцюгами. Далі вони зривають бруд з поверхні й оточують її з усіх боків, утворюючи міцели . Отримана таким чином емульсія дозволяє легко видалити забруднення.
Зверніть увагу, що поверхнево-активні речовини виявляють синергетичний ефект у поєднанні з іншими поверхнево-активними речовинами. Синергізм – це явище, коли ефект двох або більше компонентів перевищує суму їх окремих ефектів, взятих окремо.
